（电路与系统专业论文）基于GPRS的高压开关监控系统的设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 g p r s 作为新兴的数据传输技术，因其本身具有的覆盖面积广、传输速率快、 建设成本低、升级方便等优点而被工业监控领域所关注。同时，我国电力的需求 越来越大，对于电力的调度和合理使用的要求也越来越高，而电力系统的特点是 跨越地域大，控制点分散等。本设计就是基于电力系统的特点和g p r s 的优点， 研究把g p r s 网络应用于高压配电网的监控系统的解决方案。 论文在分析了g p r s 技术的特点和无线监控管理系统的整体设计结构的基础 上，把设计的重心放在了终端模块( 采集控制模块、g p r s 模块) 的设计实现上。 首先分析了终端模块的功能组成和整体的框架结构图，然后给出了终端模块的设 计方案，包括硬件的结构和软件的实现。在硬件方面，选择了微处理器，通讯模 块和专用的三相电电力参数测量模块，在此基础上搭建了硬件工作平台。在软件 实现上，移植了u c o s i i 内核，开发了设备管理等操作系统功能，并进行了应 用程序的设计。在服务器端的设计上，分析了服务器的功能要求，并设计了服务 器和终端模块协同工作来实现对开关的监控的方法。 论文通过对系统终端软硬件的设计和服务器的软件设计，搭建起了高压开关 监控系统。能够实现服务器和终端模块的联网，以及命令参数等数据的网络传送， 从而达到对高压开关进行控制和状态检测。系统的功能还能进一步进行扩展。总 体来说，本论文研究的监控系统具有比较强的实用性和较好的发展前景。 关键词：g p r s ，无线监控，数据采集，u c o s l i 浙江火学硕士学位论文 a b s t r a c t a sn e wt e c l l t l o l o g yo fd a t 硅j r a i l s f e r g p r sh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sh i g h 廿a n s f e rr a t e ，1 0 wc o s t ，b e i n gc o n v e n i e n tf o ru p g r a d ea 1 1 ds oo n s oi t st h en e wf o c u s o fi n d u s t r ys u p e r v i s i o nf i e l d a tt h es a m et i m e ，o u rc o u n t r yn e e d sm o r e 孤dm o r e e l e c t r i cp o w e r ，s ow en e e dab e t t e rm a i l a g e m e n ts y s t e mt oc o n 订o l 也ep o w e r 1 1 1 e p a p e rr e s e a r c h e st h eh i g h _ v o l t a g e s 谢t c hs u p e r v i s i o ns y s t e mw h i c h b a s e do ng p r s t h ep a p c rf i r s t l ya n a l y z e st l l eg p r sa 1 1 dt h es t m c t u r eo ft l l ew i r e l e s ss u p e “i s i o n a n dm a n a g e m e n ts y s t e m ，a n dt h e nf o c u s e so nt h ed e s i g no fm et e m l i n a lm o d u l e ， i n c l u d i n gt h eg p r sm o d u l ea n dt h ec o n t r o la 1 1 dd a t a _ a p t u r em o d i l l e nf l r s ta n a l y z e s t h e 劬c t i o n so ft h et e n n i n a lm o d u l ea 1 1 dt l l em a k e u po ft l l es y s t e m ，a 1 1 dt l l e nr c a l i z e s m et e m l i n a ls y s t e mb yd e s i g n i n gt h eh a r d w a r ea 1 1 dt h es o r w a r e a b o u tt h eh a r d w a r e d e s j g n ，t 】em c u ，t h eg p r sm o d l l l ea i l dt h ed a t ac 印t u r em o d u l ea r ec a r e f u l l yc h o s c n ， a n dt h e 削1h a r d w a r ep l a t f o r n li sd e s i g n e d a b o u tm es o f i 、v a r ed e s i 印，t h e “c ，o s i i i s p o n ，a n ds o m eo sf b c t i o n sa r ed e s i g l l e d ，s u c ha sd e v i c em a l l a g e m e n t a tl a s t ，t h e 印p l i c a t i o np r o 孕锄j sd e s i g n e d a b o u tm ed e s i g l lo ft h es e r v e r ，t h e 矗m c t j o n si n r e q u e s ta r es h o w n ，a i l dt h er e a l i z a t i o no ft 1 1 ec o o p e r a t i o nb e 铆e e n 廿1 es e l v e ra n dt i l e t e 力n i n a lm o d u l e si sd e s i g n e d t h ed e s i g nm a k e su p 也eh i 曲一v o l t a g e s w i t c hs u p e r v i s i o ns y s t e m b yt h e h a r d w a r ea 1 1 ds o f h v a r ed e s i g no ft h et e i n a lm o d u l ea i l dt l l es o r w a r ed e s i g no ft l l e s e r v e lt h ed e s i g l lc a l lr e a l i z et h en e t 、o r kc o n n e 撕o na 1 1 dd a t at r a n s f e rb c 艄它e nt h e s e r v e ra i l dt h et e n n i n a lm o d u l e b a s e do nt t l i s ，i tc a l lc o n t r o lt 1 1 es w i t c ha 1 1 dc a 船 t h ee l e c 喇cd a t a t h em o r es y s t e m 如n c t i o n sc a l lb ed e s i g n e di nf i l m r e i naw o r d ，t 1 1 e s u p e r v i s i o ns y s t e md e s i g n e di nm ep 印e rj sa p p l i e d ，i th a sab r i 曲t 缸u r e k e yw o r d s ：g p r s ，、v i r e l e s ss u p e r v i s e ，d a t ac a p t u r c ，p c o s i i 1 1 浙江大学顾十学位论文 1 1 背景介绍 第一章绪论 类似生产型大型工业企业，电力系统等都存在规模巨大，作业点分散，设备多， 价值高，其中相当一部分设备工作在户外的特点，因此，对各种设备的运行状态、参 数指标等要做到实时监控，一旦出现情况能及时进行报警并可以在远程进行指挥 调度和调整：而且一般工业控制系统跨越地域较大，监测点数量多，要求通讯系统 速率要高，轮询响应时间要快；同时，一些作业点分散于野外，环境恶劣，需要无人 职守远传控制。在过去，工业监控的方式主要是采取有线网络。有线网络存在着 数据可靠，安全，误码率低等优点。但是随着系统规模的增大，有线网络的问题 日益突出，它不利于系统的扩大和改动，也不方便进行远程的控制。所以现在无 线网络成为这类行业未来发展所不可缺少的部分。目前国内主要有以下几种解决 远程监控的办法1 1 】： 1 1 采用卫星通信； 2 ) 采用不同的大功率( i 疆) 无线数传电台； 3 ) 采用电话拨号； 4 ) 借助移动公网f g s n g p r s ，c d m a ) 来传输。 其中，前三种是传统的数据传输解决方式，这些传统方式在覆盖范围、实时 性、投资及运行费用等方面存在很多问题，同时不容易实现工控设备的无人职守， 出现问题不一定能及时发现等。目前，g p r s 、c d m a 等新兴的数据传输技术， 具有很多传统数据传输方式所没有的优点，可以解决传统传输方式的弊端，更加 贴近专业数据传输的需求。 比较而言，随着技术改造和发展，g p r s 目前已经趋于稳定、可靠，覆盖范 围己与g s m 网相近，但速率较低，一般可达2 8 k b ：c d m a 则具有速率高、系统 稳定等特点，但目前覆盖范围较小，尚无法提供大范围专业数据传输业务。两者 相比，g p r s 是作为专业数据传输系统网络支撑平台，结合数据加密技术保障网 络传输的安全来实现专业数据传输系统式较佳的选择。 采用先进的g p r s 技术的无线监控管理系统，集计算机、通信、机电、自动 浙江大学硕士学位论文 控制等多种先进技术于一体，可以实现对无线分布式系统的实时监控管理和灵活 部署，解决传统控制由于没有通讯功能，无法实现集中监控的问题2 1 。从而可以 节省大量人力物力，并且可以，提高无线系统的运行质量，增强无线的可靠性和 可控性，能及时发现定位无线系统故障，大大减少了系统停用带来的不良影响。 1 2 g p r s 无线传输介绍 g p r s 是通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e i c e ) 的英文简称，是 在现有的g s m 系统上发展出来的一种新的分组数据承载业务。g p r s 与现有的 g s m 语音系统最根本的区别是，g s m 是一种电路交换系统，g p r s 是一种分组 交换系统【3 5 】。因此，g p r s 特别适用于问断的、突发性的或频繁的、少量的数据 传输，也适用于偶尔的大数据量传输。这一特点正适合大多数移动互联的应用。 g p r s 相对于其它的通讯模式有很多优点： 相对其它通讯方式来说，采用g p r s 技术可以充分利用中国移动公网资 源，将极大节约建设成本，缩短建设周期，整个系统的性能价格比高， 系统建设投资与建无线专网的投资相比估计可节约5 0 以上。 永远在线。 上网连接时间很快，一般只要3 到6 秒。 数据传输速率与其它通讯技术相比最快，最高可达1 7 1 2 k b s ，通信传输 时延较小，最长不超过3 秒。 按照流量收费，目前形式灵活。 兼容g s m ，在网络覆盖不大的地区自动切换。 i p 接近i n t e i e t ，一旦登陆了g p r s 网络，就自动附着在i n t e r n e t 上，可以直接进行通信。 可以采用大数据中心模式。 系统容量大，可以容纳更多的终端节点。 监控覆盖范围广阔，系统规模扩展快速。 通信服务质量安全可靠，服务质量等级可根据用户的不同应用需求与运 营商协商确定。 整个系统维护方便，系统升级简单快速。 浙江大学硕上学位论文 无线监控系统还可采用g s m 短消息通讯方式作为g p r s 通讯万一中断 后的备用手段。在丁f 常情况下，无线监控系统采用g p r s 通讯方式，当 g p r s 通信万一中断后，立即切换成g s m 短消息通讯方式。 g p r s 网络也有缺点： 传输速率没有总线形式高。 可能发生丢包现象。 网络拥挤时可能会出现时延。 不过由于在电力监控系统中，传输的数据并不多，所以不需要太高的传输速 率，丢包的话可以选择数据重传。不过g p r s 网络的可能丢包和时延的特点在设 计中必须考虑进去，提高设计的可靠性。 g p r s 数据传输的方式和原理 观阶段g p r s 服务主要提供点对多点的传输服务，即指多个g p r s 无线数据 终端( d t u ) 把数据传输到一个固定的数据处理中心。g p r s 的基础是以i p 包 的形式进行数据的传输，当g p r s 无线终端进入g p r s 网络时，就自动附在 i n t e i 矾e t 上【6 l 。所以这种传输方式并不需要g p r s 提供商提供更多的服务和 支持就可以把数据从任何g p r s 覆盖地区传到中心。无线数据处理原理图1 1 示： 图l 。lg p r s 数传原理图 首先，在系统搭建时，数据中心直接接入互联网，为g p r sd t u 打开指定的 s o c k d 连接端口；g p r sd t u 通过p p p 拨号方式与基站建立连接，通过身份验 证，获取i p 地址并接入i n t e r n e t 。登入网络后g p r sd t u 通过串口获取数据 采集终端的数据，以u d p 或t c p 包形式发送至数据中心，并将数据中心下传的 u d p 或t c p 包转换为串口数据传至终端设备。 浙江人学硕士学位论文 1 3 本设计的任务及意义 随着工业控制自动化的发展，越来越多的新技术被应用于工业控制当中。 g p r s 作为一种通讯技术，由于其覆盖面积之广，使用之便捷等诸多优势而被广 泛关注起来。通过上面的背景介绍和相关的资料，可以看出关于g p r s 技术在工 业控制方面的研究非常广泛和活跃，也有部分产品已经在试运行或者应用起来 了。不过仔细分析起来，主要集中在数据的采集上，比如远程抄表系统等等，而 且在电力方面的应用都是在低压的环境中 9 。”。 所以虽然现在关于g p r s 在工业自动化监控方面的研究非常活跃，但是关于 高压部分的监控目前还没有相应的论文或者产品出现。 目前，由于经济的发展，我国电力的需求越来越大，因此对于电力的调度和 合理使用的要求越来越高。由于电力系统的特点是跨越地域大，控制点分散，所 以采用有线的方式对控制点进行监控的方法显然并不实用。卫星通信、数传电台、 微波等是传统的无线数据传输解决方法，但这些传统方式也有很大的局限性。出 现问题( 比如说线路某一点断掉) 时也不容易立即发现问题所在。g p r s 数据传 输技术可以从根本上解决传统传输方式的弊端，更加贴近专业数据传输的需求。 而且通过g p r s 网络，可以在监控中心实现对系统整体的便捷调度。 本设计提出的目的就是为了实现通过g p r s 这种无线传输方式来检测和控 制电力系统中的高压开关，从而使得高压配电网的监控方式进入一个新的天地， 使得配电网的电力传输控制和检测更加方便。 要实现基于g p r s 的高压配电网的自动控制和监控，要做的工作很多，不仅 要设计在开关上安装的终端控制和电力参数采集模块，还要建立中心的管理服务 器等。本设计将设计的重点放在开关端用的终端控制和电力数据采集模块上，这 里称之为终端模块。另外，在软件设计部分，还给出了服务器端的设计的大概描 述。 要实现对高压开关的监控，我们的终端模块就要实现对开关的控制，对开关 状态的检测，对线路中电压电流等参数的读取以便于检测线路有没有故障等功 能。具体的功能分析将放在第二章的第二小节中进行介绍。在功能分析和框架设 计完成的基础上，我们要做的就是终端硬件模块的设计，软件的实现和服务器端 浙江大学硕士学位论文 软件的实现等。这些将在后续的章节中进行一一的介绍。 1 4 小结 在本章中，我们首先介绍了在工业的监控领域中，传统的无线监控方式和缺 点，并提出了g p r s 这种新兴的无线远程监控方式。在第二小节，我们对g p r s 无线传输进行了简单的介绍，分析了它的优缺点，并对它的传输方式进行了大概 的说明。最后给出了本设计对配电网自动化的意义，并对本设计的任务进行了简 要的说明。在后面的章节中，我们给出了整个设计的思路和实现。第二章中，分 析了系统整体的框架，并细化了子模块的设计目标。第三章中，对系统的硬件设 计实现进行了详细的说明。第四章则是系统的软件设计实现的具体过程。最后， 分析了我们的系统的特点和不足，并给出了未来发展的展望。 浙江大学硕十学位论文 第二章总体设计方案设计 2 1 监控系统架构的搭建 从一般概念上来说，无线监控管理系统主要由采集控制模块、g p r s 模块、 传输网络( g p r s 网和i n t e r n e t ) 、监控中心组成。此外在采集控制部分和监 控中心中都应该包含相应的数据管理模块，来实现系统对参数的检测和管理。同 时考虑对数据安全性的要求，在关键监控终端对数据临时存储，可以防备在网络 故障或监控中心故障时不致丢失重要数据。其中监控中心可根据用户需求，扩展 成多级监控网络。 系统的整体的结构框架如下图2 1 所示： 图2 1 基于g p r s 的无线监控管理系统的结构 控中心 控制模块 浙江大学硕士学位论文 其中，采集控制模块主要由数据采集设备、控制设备组成，并在m c u 上有 所需的数据采集程序、设备控制程序、远程通信程序等。 g p r s 模块是一个g p r s 网络终端设备，它可以通过串口与采集控制模块相 连。 传输网络用来承担数据传输任务。 监控中心总体来说是一个局域网，主要由路由器、防火墙、代理服务器、监 控台、查询台、数据库服务器以及相应的监控软件、查询软件和数据库管理程序 等构成。 数据管理模块主要负责与网络无关的数据存储的实现，即在数据提交和数据 传递和数据存储两两功能点中间加一个数据暂存机制，可以一般化到采集终端和 监控中心上来。 从上面对系统和它的组成部分的介绍中可以看出监控中心是系统的中枢，在 我们的系统中也是如此。在我们的系统中由监控中心完成对整个系统中所有子站 ( 场站) 的数据采集、数据存储、数据分析、数据动态显示的工作，使调度人员 能够实时掌握整个电网的动态信息、及时处理报警、优化调度方案，使其平稳、 高效运行。主站计算机通过校验分析所收到的数据包的完整性，对错误的信息给 予报警，对成功接收的各项参数分别存入数据库，并根据具体的需要在操作界丽 上显示。 虽然整体的控制和调度是由监控中心来完成的，但是具体的控制和数据的采 集和传送还是由远端数据采集控制模块和g p r s 模块( 总称终端模块) 来执行。 它们采用无线工作方式，利用无线g p r s 终端进行命令和数据传输，并根据控 制中心的命令对开关进行开、合或提取电路参数等相应的操作，并把操作的结果 反馈给控制中心。 另外为了节约资源，平时终端模块并未登陆g p r s 网络，在终端模块未登陆 g p r s 网络时，监控中心不能得到终端模块的信息，也不能对其进行控制。所以 需要一个控制终端对终端模块发送登陆g p r s 网络的命令。这个命令可以采取 s m s 的方式，所以这个控制终端可以是普通的手机等。 整个系统的示意图2 2 ： 浙江大学硕士学位论文 图2 2 本系统的协作关系示意图 整个系统流程如图2 - 3 ： 东攀鬻卜* 愕爹l 一e m e r g o f f 引脚断电： 最好通过一个o p e nd r a i n c o l l e c t o rd r i v e r 来控制该引脚。要使系统断电，该 引脚要保持低电平3 2 s 。图3 4 是它的工作过程。 图3 4 ，e m e r g o f f 引脚断电过程 描述如下： 当模块工作时，它内部的r e s e t 信号保持高电平。同时基带控制器产生一 浙江大学硕士学位论义 个固定频率的看门狗信号。当e m e r g o f f 接地后，看门狗被中断。当超过3 2 s 后，内部电源模块中断电源，模块掉电，同时，v d d 变为低电平。 3 。2 1 2 串口介绍 m c 5 5 有两个异步的串【 ，高低电平分别是o v 和2 6 5 v 。模块是设计成d c e 设备的，根据d c e d t e 连接的协定，它和用户设备( d t e ) 的通讯使用下面 的信号来通讯： t x d 0 ( t x d l ) ：用户发送数据到模块的，d m o ( t x d l ) 信号线。 ，r x d 0 ( 瓜x d l ) ：用户从模块的侬x d o ( ，r x d l ) 信号线接收数据。 通讯的接口连接方式如图3 5 。 g s h 露m o d u l e a p p i i c a t i o n d c e ) t d t e ，t x d 0，t x d ，咖 ，r x d8 蓬，r t s 0 ，m 要 薏，c 瑚 ，c 丁s。董 8 7 r 。，d 丁r。害 霪删m r挈 ，d c 0 0，d c d ，同n g 0垠l n g m ，1 ) ( d 1 一童 誊脓d 1 ，r x d 委 翟，r t s l，r 1 。s= = 石 ，e t s l 一鼍 图3 5m c 5 5 串口连接 a s c o 是8 线接口的，a s c l 是4 线接口的。 a s c 0 可以实现自适应波特率，此时支持以下波特率1 2 0 0 ，2 4 0 0 ，4 8 0 0 ，9 6 0 0 ， 1 9 2 0 0 ，3 8 4 0 0 ，5 7 6 0 0 ，1 1 5 2 0 0 ，2 3 0 4 0 0b p s 。 a s c o 和a s c l 都被配置成8 位数据，没有奇偶校验，1 位停止位；可实现 3 0 0 b p s 到2 3 0 4 0 0 b p s 的波特率。 浙江人学硕士学位论文 3 2 1 3s i m 接口介绍 m c 5 5 的s i m 接口是标准的接口。有6 个引脚。如表3 3 中所述。 表3 3 与s i m 接口相关引脚 管脚说明 c c g n d s i m 卡独立的地，用来提高e m c 性能 c c i o 串行数据线，输入、输出 c c c l k 卡的时钟，可以设雹不同的对钟频率 c c v c c m c 5 5 内部电源模块为s i m 卡提供的电源 c c r s t 卡的重启信号 输入，用来判断是否有s i m 卡插入 c c i nc c i n 输入是g s m1 1 1 l 强制要求的，为了保障运 行中移除s i m 卡时的安全性。 设计中注意事项： 为了符合3 g p pt s5 1 0 1 0 一l 要求和e m c 设计要求，s i m 卡座和m c 5 5 的 b o a r d t o - b o a r d 连接器的管脚之间的线不能超过2 0 q m s 长。 为了防止c c c l k 和c c i o 之间的c r o s s - t a l k ，这两条线不能布的太近，一个 好的办法就是在两条线之间布c c g n d 线来达到屏蔽作用。 3 2 2 通讯模块部分电路设计 为了调试和以后的运行过程中进行直观的监测，电路设计中增加了两个指示 灯。一个指示灯接v d d 输出口，用于指示模块是否上电。一个指示灯接在s y n c 输出口，用于指示系统的工作状态。 由于s y n c 管脚不属于前面的模块介绍中的三大部分，所以在这里先对 s y n c 的作用进行介绍。 s y n c 管脚有两种工作模式。可以通过a t 命令a t s s y n c = o ( 1 ) 来选择。当 浙江大学硕士学位论文 为o 时，s y n c 管脚是监控电源消耗的。当为1 时，s y n c 管脚可以通过外部电 路来控制信号灯。 在设计中，信号灯非常有用，可以通过信号灯来发现系统的问题等。s y n c 管脚外接信号灯，可以用来显示m c 5 5 模块的工作状态，比如是否找到网络，是 否有s i m 卡，是否有数据传输等。这个信号等一共有五种工作方式来代表不同 的工作状态，具体的对应关系不在这里描述了。 根据在第二章中的描述，我们知道通信模块主要要实现网络功能，并且要和 单片机进行通信。因此，在该部分的电路设计中，m c 5 5 需要外接s i m 卡，信号 指示等，还需要和单片机进行串口连接。另外，由于m c 5 5 的上电模式的特殊性， 我们还需要通过单片机的i o 口对m c 5 5 的上电相关的控制输入口进行控制。 图3 6 是本设计中该部分的电路。 图3 6 通讯模块部分电路 在我们的设计中，只用到了通讯模块的一个串口。但是当系统在应用中需要 进行功能的扩展( 比如终端模块之间的通信等) 时，很有可能会需要多于一个的 浙江人学硕士学位论文 串口，所以我们选择了这个模块，也是为以后的扩展做准备。 另外在电路图中，有一个m a ) 3 2 3 2 的模块，这个主要是为了在前期的开发中， 通讯模块和计算机可以进行互连，通过计算机直接来控制通讯模块以便获得通讯 模块的通讯特性，例如对命令的反馈信息，连接网络的方式等。这样才能为下一 步通过m c u 来控制通讯模块打好知识基础。 3 3 三相电测量模块 3 3 1 三相电测量模块的选型和介绍 为了实现对线路上电压电流功率等电力参数进行实时监控，系统需要实现对 这些参数的实时采样和分析。所以系统需要测量模块。在系统设计的最初，打算 自行设计采样测量电路和算法来实现电力参数的测量。但是这样做费时费力而且 不能达到最好的效果。最终决定采用专用的电能计量芯片。 目前，三相电子式电能表计量方案所使用的产品多为进口芯片，电能计量方 案设计应用较复杂，而且成本偏高。a t t 7 0 2 2 是炬力集成所研发的一款专用电能 测量芯片，它将所掌握的先进的1 6 位a d 转换与2 4 位d s p 技术合二为一， 集成到一起来完成电能计量的采集与运算任务，并通过寄存器直接提供电能计量 所需的各类参数。采用a t t 7 0 2 2 可以大大简化电子式电能表计量部分的设计。 a t t 7 0 2 2 内部包含六路模数转换器( a d c ) ，一个基准电压源，一个s p i 串行 通信接口以及用于三相电能参数测量的数字信号处理器【1 9 】。 a t t 7 0 2 2 具有以下特点： 是高精度三相电能专用计量芯片，适用于三相三线和三相四线应用。 集成了六路二阶s i g m a - d e l t a a d c 、参考电压电路以及所有功率、能量、 有效值、功率因数以及频率测量的数字信号处理等电路。 能够测量各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以 及无功能量，同时还能测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角、 频率等参数。 提供一个s p i 接口，方便与外部m c u 之间进行计量参数以及校表参数 的传递。s p i 具体规格参见后面的详细说明。所有计量参数都可以通过 浙江大学硕士学位论文 s p i 接口读出。 内部的电压监测电路可以保证加电和断电时正常工作。 模块的内部结构如图3 7 图3 7a t t 7 0 2 2 内部结构框图 模块是4 4 脚封装的。但是一共只用到了3 7 个管脚。表3 4 是对主要管脚进 行一个描述。 2 3 浙江大学硕十学位论文 表3 4a t t 7 0 2 2 管脚描述 管脚 功能描述 v 1 p v 6 p ，v 1 n v 6 n 三相电压电流的f 负模拟输入引脚。完全差动输入方 式。正常工作最大输入v p p 为正负1 ，5 v ，最大承受电 压为正负6 v ，1 ，3 ，5 为电流信道，2 ，4 ，6 为电压 信道 r e s e t 输入，复位管脚，低电平有效 s i g 输出，初始为低电平当m c u 写入较表数据后，变 为高电平 a v c c a g n d 模拟电路电源，正常工作电压5 v t e s t 输入，测试管脚，正常应用接地 s e l 输入，低电平为三相三线，高电平为三相四线 v d d 内核电源，输出3 。o v v c c g n d 数字电源，正常工作电压5 v c s ，s c l k ，d i n ，d o u ts p i 相关引脚，分别为片选信号，时钟输入( 上升沿 放数据，下降沿取数据) ，数据输入，数据输出 o s c i o s c 0 系统晶振输入输出端 r e f o u t 基准电压输出，用作外部信号的直流偏置 r e f c a p 输出，基准电压2 4 v ，可以外接 下面对该测量模块的部分模块进行大概的介绍： 电源监控电路：a t t 7 0 2 2 片内包含一个电源监控电路，连续对模拟电源 ( a v c c ) 进行监控。当电源电压低于4 v 5 时，芯片将被复位。这有利于保障 电路上电和掉电时芯片的正确启动和正常工作。电源监控电路被安排在延时和滤 波环节中，这在最大度上防止了由电源噪声引发的错误。另外，为保证芯片正常 工作应对电源去耦，电源输入应保障a v c c 的波动不超过5 v 5 。 模数转换：a t t 7 0 2 2 片内集成了6 路1 6 位的a d c ，采用双端差分信号输 入。最大输入电压是1 5 v ，即可以输入最大的正弦信号有效值是1 v 。正常使用 时建议将电压通道u n 对应到a d c 的输入选在o 5 v 左右，而电流通道i bd 对 浙江大学硕七学位论文 应到a d c 的输入选在o 1 v 左右。 三相电典型的输入接线图3 8 ： 图3 8 三相电的典型输入电路 通信接口：该模块提供了一个s p l 接口与外部的m c u 进行通信，计量参数 是通过s p i 提供给外部m c u 。 s p i 接口信号时序图3 9 ： c s 厂 鲨1 0 l l | 1 0 0 nf l f l l f l 舢1 几f l n 1 f 1 1 1 1 f l f l l 咖f 1 1 f 1 生证田 塑田噩噩田噩亚田丑皿 图3 9s p i 接口时序 命令格式说明： 团固丑丑讽 浙江大学硕士学位论文 b i t 7 ：o 表示读命令，用于外部m c u 读取a t t 7 0 2 2 的计量数据 1 表示写命令，用于更新校表数据 b j t 6 o ：表示数据地址 工作过程： 先通过s p l 写入1 个8b i t s 的命令字，可能需要一个等待时间，然后彳能 通过s p i 读取2 4b i t s 的数据。在s c l k 低于2 0 0 k h z 时，等待时间为o ps ； 当s c l k 频率高于2 0 0 k h z 时，等待时间大约3 u s 。 注意： 发送命令时m s b 在前，l s b 在后。 接收数据时也是m s b 在前，l s b 在后。 3 3 2 三相电测量部分电路设计 在三相电测量部分的设计中，只进行模块的选择还远远不行。根据上面模块 的介绍可以得知，模块的三相电输入端能够接受的输入电压和电流都非常小。而 我们的系统是需要用在高压环境下的。如何把高压转换为我们模块所需要的电压 电流范围反侄4 是这个设计部分的重点。 高压线上的电压是1 0 k v 的，首先要通过专用的互感器从高压线上把电压采 下来并转换为1 1 0 v 的电压。这个部分不需要我们来作。我们要做的是把1 1 0 v 的电压转换的模块需要的范围内。这个工作也要出电压、电流互感器来完成。 图3 1 0 为这个部分电路设计。 浙江大学硕士学位论文 图3 1 0 三相电测量部分电路设计 在这个部分的电路设计中，还有一个地方要注意。因为a t t 7 0 2 2 是5 v 供电 的，而m s p 4 3 0 是3 3 v 供电的，所以它们的端口的输出电压的高低电平的阙值 有差别，输入端口对电压的高低判断的阙值也不相同，所以在模块互连的设计中， 要进行电压匹配工作。 3 4 其他部分电路设计 3 4 1 开关控制和状态检测部分电路设计 在本设计中，还需要通过m c u 来控制开关和检测开关。因为开关是在高压 线上的，所以显然不可能直接把m c u 的端口接到开关上，这样开关动作时产生 的瞬时电能很可能会破坏终端模块。为了系统的安全稳定，也为了防止开关中产 生的干扰带入终端模块。我们在这个部分采用了光耦隔离的办法。 对开关状态的检测，丌关触点的信息通过光耦接入m c u 的端口，并产生相 应的i ，o 口中断。 对开关的控制更复杂一些。我们使用继电器来完成对丌关动作的驱动口o ，2 l l 。 这个部分的电路如图3 1 1 所示。 浙江人学硕士学位论文 图3 1 1 开关控制和检测部分电路设计 3 4 2 电源部分电路设计 根据前面对系统中各个功能模块的分析和设计，知道在我们的系统中，微处 理器m s p 4 3 0 f 4 4 9 的电源是1 8 v 3 ，6 v ，通讯模块m c 5 5 的电压是3 3 v 4 8 v ， 推荐值是4 2 v ，而三相电测量模块和其他模块的电压是5 v 。因此我们的系统需 要提供三种不同的电压，其中m s p 4 3 0 f 4 4 9 选择用3 3 v ，通讯模块选择用4 2 v 左右。 要实现三种不同的电压，我们的设计选择使用电压转换芯片来实现。在这里， 要求外部的输入使用5 v 的电压，这样，除了微处理器和通讯模块，其他的模块 都可以正常工作了。至于这两个模块电压的产生，我们选择使用 m i c 2 9 3 0 03 3 b u 和m i c 2 9 3 0 2 b u 来实现。这两个芯片都是m i c r d 公司的同一 系列的产品，具有大电流，高准确性的特点。它们能够提供的电流最大值都是 3 a 。但是要注意的是它们的最低负载电流为7 m a 。当电流过小时，漏电流将会 变得重要，这时，输出的电压v o u t 就会变大【2 2 1 。 其中，m i c 2 9 3 0 03 3 b u 为3 脚的，直接输出3 3 v 电压。m i c 2 9 3 0 2 b u 为5 脚的，要选择r 1 ，r 2 的值来确定v o u t 。v o u t 和r 1 ，r 2 的关系图3 1 2 所示。 我们选择它们分别为1 0 0 k 和4 3 k ，则v o u t 为4 1 2 v 。 浙江大学硕上学位论文 v o = t 删x 1 1 + i r l ，r 鳓 图3 1 2m l c 2 9 3 0 2 电路连接图 电源部分电路设计如图3 1 3 所示。 3 5 电路抗干扰设计 图3 1 3 电源部分电路设计 在硬件的设计中，一定要充分考虑抗干扰性的要求，避免形成不可预知的错 误，导致系统功能不能实现。我们的系统是要用在高压开关上的，在高压的环境 下，不免要产生很多干扰，在设计中不可忽略这些干扰，要进行相关的抗干扰设 计。 形成干扰的基本要素为干扰源、传播途径、和敏感器件【2 3 0 ”。 在电路抗干扰设计中，除了要选择抗干扰能力强的器件外，还要在电路的设 浙江大学硕上学位论文 计和p c b 的设计中注意很多设计规则。抑制干扰源是抗干扰最为有效的方法。 在我们的设计中，主要用到以下的方法来抑制干扰源。 电路板上每个i c 要并接一个o 0 1uf 0 1uf 高频电容，以减小i c 对 电源的影响。高频电容的布线，连线应靠近电源端并尽量粗短。 布线时避免9 0 度折线，减少高频噪声发射。 在切断干扰传播途径方面，主要有以下工作。高频干扰噪声可以通过在 导线上增加滤波器的方法切断，有时也可加隔离光耦来解决。电源嗓声的危害最 大，要特别注意处理。辐射干扰是一般的解决方法是增加干扰源与敏感器件的距 离，用地线把它们隔离和在敏感器件上加蔽罩。 在我们的设计中用到的切断干扰传播途径的方法： m c u 的部分i o 口用来控制高压开关，高压开关为噪声器件，因此在i 0 口与开关之间加光耦进行隔离。 晶振布线十分注意。晶振与m c u 引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离 起来，晶振外壳接地并固定。 把电路板划分为数字区与模拟区，数字地与模拟地分离，最后分别用光 祸与电源地连接。 可以把终端模块分成两个板子，容易产生干扰的三相电采样输入部分为 一块板子上，通讯和控制模块在令一块板子上。这样可以很大程度防止 高压线路上的干扰进入通讯和控制模块。 在提高敏感器件的抗干扰性能方面， 布线时，电源线和地线尽量粗。 耦合噪声。 我们的设计使用了下面的方法措施： 这样做除了能减小压降外，还可以降低 m c u 闲置的i 0 口，不要悬空，要接地或接电源。其它i c 的闲置端在 不改变系统逻辑的情况下接地或接电源。 m c u 尽量使用低速晶振。 采用贴片i c 器件，不用i c 座。 浙江大学硕上学位论文 3 6 小结 本章介绍的是对终端模块的硬件设计的具体实现。在本章中，我们是按照分 开来分析的方式，一个个子模块的介绍和分析下来，并给出了相关的电路设计。 在最后，我们进行了电路设计中的抗干扰技术和设计。通过本章，我们建立了终 端模块的整体设计。为后面的软件设计和功能实现搭建好了硬件工作的平台。 浙江大学硕十学位论文 第四章系统软件设计 4 1 1 终端模块的软件设计 嵌入式系统的软件设计可以是不带操作系统的，也可以是有操作系统的方式 的。在我们的设计中，选择基于操作系统的系统应用程序的开发和实现。在应用 程序开发前，要进行操作系统移植，设备驱动开发等。在本章中，我们分别介绍 这些相关的设计内容。 4 1 1 操作系统移植 在我们的设计中，选择c 0 s i i 来进行移植。p c o s i i 是源码公开的实时嵌 入式内核，代码量小，得到了广泛的应用。它主要具有公开源代码、可移植、可 固化、可裁剪、安全可靠等特点。c o s 1 1 支持多任务，不过每个任务的优先级 都要不同。它提供任务管理、中断管理、邮箱、队列、信号量等服务，但是同 l i n u x 不同的是，它没有提供设备管理【2 5 ，2 6 1 。 操作系统的移植就是使一个实时内核能在某个微处理器或微控制器上运行 起来。如前所述，我们采用的微处理器是m s p 4 3 0 f 4 4 9 ，在它上面进行c o s i i 的移植，主要完成修改下面几个文件或函数： 1 1 n c l u d e h 文件 i n c l u d e s h 是主头文件，在所有后缀名为c 的文件的开始都包含 i n c l u d e s h 文件。使用这个头文件后，所有的c 文件都只包含一个头文件， 程序简洁，可读性强。但是也可能会导致包含一些它并不需要的头文件，额外的 增加编译时间。与优点相比，多一些编译时间还是可以接受的。用户可以改写 i n c l u d e s h 文件，增加自己的头文件。下面是为m s p 4 3 0 编写的i n c l u d e s h 文件的内容。 撑i n c l u d e # i n c l u d e 撑i n c l u d e 浙江大学硕上学位论文 撑i n c l u d e 社i n c l u d e 拌i n c l u d e ，m s p 4 3 0 x 4 4 x h # i n c l u d e ”0 s - c p u h ” 拌i n c l u d e ”o s - c 培h ” # i n c l u d e ”u c o s _ i i h ” 2 o sc p u h 文件 o sc p u h 文件中包含与处理器相关的常量，宏和结构体的定义。针对我们 的微处理器，主要要做以下修改： 数据类型 由于不同的处理器有不同的字长，u c o s i i 的移植需要重新定义一系列的数 据结构。本软件设计使用a q 4 3 0 编译器，整数( i n t ) 类型数据为1 6 位，长整形 ( 1 0 力g ) 为3 2 位。 由于在m s p 4 3 0 实模式中堆栈都是按字进行操作的，没有字节操作，所以 a q 4 3 0 编译器中堆栈数据类型o s s t k 声明为1 6 位。所有的堆栈都必须用 o ss t k 声明。 代码临界段 与其他实时系统一样，u c o s i i 在进入系统临界代码区之前要关闭中断，等 到退出临界区后再打开。从而保护核心数据不被多任务环境下的其他任务或中断 破坏。心。s i i 定义了两个宏用来关闭，打开中断：o s n t e r c t i c a l ( ) 和 0 s x i t _ _ c 砌t i c a l ( ) 。在我们的移植种，设计了三种开关中断的方法，如下所 述。 第一种方法是最简单的方法，可以直接将o s e n t e r _ c i u t i c a l ( ) 和 0 s _ e x i t - c i t i t i c a l ( ) 定义为处理器的关闭( p l n t ( ) ) 和打开( _ e i n t ( ) ) 中断 指令。但是这个方法并不严密，可能带来错误，就是如果在关闭中断后调用 儿c 0 s i i 函数，那么当函数返回后，中断将被打开。但实际上中断此时很可能是 不希望被打开的。这种方法显然容易带来这种不安全因素。但它最大优点是简单， 执行速度快。如果在任务中并不在意调用函数返回后是否被中断，则可以使用这 种方法。 浙江大学硕士学位论文 第二种方法中断的使能与否与先前的中断状态有关。比如，在进入临界段前 中断使能关闭的话，退出临界段时中断使能仍然关闭。 第三种方法是利用堆栈。即执行o s _ 王n t e r c r j t i c a l ( ) 时先将中断的状态 保存到堆栈中，然后关闭中断。相应的o s - e x l t _ c r i t i c a l ( ) 从堆栈中恢复中断 状态。采用这种方法，不管用户何时调用“